[发明专利]一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及细晶板材制备领域，特别是涉及一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的装置及方法。

背景技术

镁及镁合金具有密度低、比刚度及比强度高、加工性能好等特点，但由于大部分该材料为密排立方晶体结构，滑移系少，常温下塑性变形能力较差，故镁合金的成形加工和工业应用均受到一定的限制。不少文献已证明，晶粒细化是改善镁合金综合力学性能的有效途径。1988年Valiev等人首次提出剧塑性变形加工技术，传统的剧塑性变形技术如等通道角挤压和高压扭转技术对镁合金晶粒细化有很好效果，但由于受设备尺寸限制，在制备大尺寸细晶镁合金板材方面难于突破。

搅拌摩擦加工技术作为一种近些年备受关注的剧塑性加工技术，1999年首次被Mishra提出，基于搅拌摩擦焊接思想，利用旋转的搅拌针、轴肩与工件间的摩擦作用，对工件产生较大的剪切应变和热输入，使材料发生热塑性变形及动态再结晶，使晶粒细化，组织均匀致密，缺陷减少。很多学者已论证该技术可以细化镁合金晶粒并获得良好的力学性能，不过由于搅拌头尺寸限制，单道次搅拌摩擦加工区域较小，不能制备大尺寸板材，限制其工业上的应用。采用叠加率小于100％多道次搅拌摩擦加工技术可以制备宽板材料，不过目前主要集中于铝合金板材，多道次搅拌摩擦加工制备大尺寸细晶镁合金板材甚少见诸报道。

多道次搅拌摩擦加工过程中产生热输入，可能使上道次细化的晶粒粗化或抵消细化效果。因此，解决晶粒粗化成为多道次搅拌摩擦加工制备大尺寸镁合金板材亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的装置，为制备大尺寸细晶镁合金板提供硬件条件。

本发明的目的之二是：提供一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的方法，解决多道次搅拌摩擦加工大尺寸细晶镁合金板材过程中使上道次细化的晶粒粗化的问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的装置，包括固接于机架的搅拌头以及顶端敞开的冷却水箱，冷却水箱内设有焊接平台，冷却水箱的侧壁的高度超过焊接平台的高度，焊接平台上设有两条贯穿于焊接平台的压板条，两条压板条平行设置，焊接平台上设有若干个压板夹具，压板夹具压住压板条，搅拌头对准焊接平台并能够在焊接平台的范围内移动。采用这种结构后，能够加工大尺寸细晶镁合金板材，加工时始终在冷却水箱内的冷却水中加工，两条压板条分别压住待加工镁合金板材，压板夹具再压住压板条，搅拌头在焊接平台范围内进行多道次搅拌摩擦加工。

焊接平台上设有平整钢板。采用这种结构后，加工时将待加工镁合金板材放置于平整钢板上便于加工。

搅拌头为带右旋螺纹及三切面的搅拌针。此为本装置较为优选的实施例。

搅拌针的长度为5mm，搅拌头的根部直径为7mm。此为本装置较为优选的实施例。

冷却水箱设有进水口和排水口，进水口和排水口的连接线经过焊接平台。采用这种结构后冷却水由进水口流入，流经焊接平台后由排水口流出，保证冷却水的有效利用。

一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的方法，在冷却水的强制冷却条件下采用叠加率小于100％的多道次搅拌摩擦加工制备大尺寸细晶镁合金板材，多道次搅拌摩擦加工过程均在冷却水下完成。采用这种方法后能够制备出大尺寸细晶镁合金板，且能够解决多道次搅拌摩擦加工大尺寸细晶镁合金板材过程中使上道次细化的晶粒粗化的问题。

多道次中的相邻每道次之间的间距为3.5mm，以向后退侧偏移的方式搭接。较为优选的实施方式。

具体包括以下步骤，

步骤一：准备待加工镁合金板材，采用砂纸打磨去除氧化物，用酒精清洗后吹干，然后平放在平整钢板上，用压板夹具将其固定于焊接平台；

步骤二：在配套有冷却水箱的搅拌摩擦加工设备上安装搅拌头，加工前先试转预热，然后调试加工工艺参数，加工工艺参数包括初始坐标、搅拌头旋转方向、旋转速度、前进速度、加工距离、下压量以及搅拌针与铅垂方向之间的倾斜角度；

步骤三：从进水口向冷却水箱注入冷却水直至水位达到待加工镁合金板表面以上，同时采用冷却水喷向轴肩与板材接触位置，加速冷却速率，同时打开排水口，保持水箱内冷却水循环流动，保持水位处于镁合金板材上方。

步骤四：按照步骤二设置的加工参数进行第一道次水下搅拌摩擦加工。

步骤五：完成第一道次加工后，搅拌头回到第一道次初始位置，后续道次沿加工方向的垂直方向向后退侧偏移3.5mm的位置加工后续道次；